NS穿流復合塔板對于乙二醇再生塔在海上平臺防晃動可行性分析*

王海萍 張燕鵬 劉峰 佘志鴻 葛新燦 喬英云 田原宇

（1.中國石油大學（華東）化學工程學院；2.啟東中遠海運海洋工程有限公司海工和新能源研發中心；3.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院）

目前工業上常用的除水合物方法是在開采過程中加入水合物抑制劑，常用的水合物抑制劑主要有乙二醇和甲醇[1]，乙二醇相比甲醇更易于回收且成本低[2]，因此在工業上被廣泛采用。作為水合物抑制劑使用的乙二醇會通過精餾再生后循環使用，因此乙二醇精餾塔是乙二醇脫水再生工藝的核心設備之一，但由于常規的再生精餾塔在海上平臺晃動狀況下，極易出現干區，從而造成氣液接觸不良、效率大幅度下降和操作不穩定。近年來有學者[3-4]對乙二醇再生工藝進行節能優化研究，但是關于乙二醇再生塔在海上平臺規避晃動的研究較少。

1 晃動對海上浮式裝置的影響

1.1 晃動對塔性能的影響

受海上操作平臺空間的限制，要求使用塔徑較小的塔器設備，同時要考慮到設備有抗風浪適應能力，結合實際操作范圍、壓降、起泡、腐蝕和造價等綜合因素，因此海上油氣田廣泛采用填料塔而不是板式塔裝置。

傳統塔器設備對于塔體的垂直度要求非常嚴格，一般不超過0.3% 。在海上操作平臺，設備一直處于晃動狀態，這就導致設備軸線與重力方向始終不能保持一致。

經眾多學者研究表明，海上晃動會導致塔器內氣液分布不均、氣液分離、壓力波動以及持液量波動等，隨著擺動角度的增加，不均勻現象更加嚴重，當擺動角度和周期超過一定值后，填料的分散性能顯著下降[5-10]。

1.2 晃動對液體分布器及液體再分布器的影響

作為填料塔中非常重要的部件，液體分布器的主要作用是消除填料塔內存在的液體不均勻分布現象，減少因為分布不均勻導致的傳質效率下降[11]。一般在填料塔塔頂設置液體分布器，在填料塔一定高度設置液體再分布器，下面對常用的排管式液體分布器、槽式液體分布器和槽盤式液體再分布器在海上操作平臺中的研究進行介紹。

排管式液體分布器：在不同的晃動形式和晃動幅度下，對分布器的孔口流量分布影響較大的為橫搖和縱搖，且隨著晃動幅度的增大，分布器的整體分布質量明顯下降。針對該種情況，當排管式液體分布器的孔口直徑減小時，分布器的分布均勻性增加，此時受海上晃蕩的影響液減小，并指出真滴特定的晃動角度和噴淋密度下，液體分布較均勻的孔口直徑[12]。

槽式液體分布器：在不同的晃動工況下，對一級槽的分配性能影響最大的為縱搖運動，其次是縱蕩，而橫搖、艏搖、橫蕩和垂蕩幾乎沒有影響；對于二級槽的分配性能影響最大的為橫搖，其次是縱搖，艏搖、橫蕩、縱蕩和垂蕩的影響較小。因此提出提高一級槽和二級槽的槽體高度以滿足防溢出要求，同時對于二級槽可增加豎直隔板，可起到一定的阻晃效果[13]。

槽盤式分布器：靜止工況下，傳統槽盤式再分布器性能較好。液體偏移工況下，造成的液位高低差異是再分布器再均布效果下降的主要原因，其整體孔口流量受橫搖和縱搖影響較為嚴重。全區域均勻進液和偏流進液情況下，再分布器均布效果均較差，受海上晃動工況影響較大。因此，設計了新型槽盤式液體再分布器，新型氣液再分布器的底板被合理分割，提高了原有再分布器對區域偏流和孔口流量差異的矯正效果，從而對于較小晃動幅度下再分布器的液體均布性能進行了優化，研究結果對于Fluent 模擬重力式再分布器流場分布的準確性提供了一定程度的驗證，為重力式氣液再分布器在海上晃動平臺上的模擬優化提供了一定的理論基礎。

在海上晃動平臺中，對于液體分布器和再分布器的主要優化目的為盡量避免較大的搖擺度數加載到分布器上，減少分布器內的液體溢出，對于排管式分布器，應滿足各孔口加載的液體壓頭足夠克服晃動對分布器造成的液體分布不均，孔口直徑需進行合理設計的情況下受晃動的影響更輕，對于槽式和槽盤式則可通過增加分區的方法實現，減小每個分區內的液體波動，減少區域偏流情況。

2 乙二醇再生塔優化方案探討

2.1 目前運行情況

某海上天然氣開采項目中，采用乙二醇作為天然氣水合物抑制劑，且用量較大，乙二醇再生塔采用填料塔，為保證乙二醇再生后貧液質量分數達到設計要求，需保證再生塔內氣液接觸不存在干區情況，采用的回流比較大，故乙二醇再生過程能耗較高，對乙二醇再生塔在晃動工況下的性能進行研究發現：當海上操作平臺的晃動角度達到6°時，塔底貧液產品中乙二醇濃度的波動幅度可達到2%；當海上操作平臺的晃動角度增加至8°時，塔底貧液產品中乙二醇濃度的波動幅度增加至3.1%；當海上操作平臺的晃動角度為10°時，塔底貧液產品中乙二醇濃度的波動幅度達到3.3%；數據表明塔底產品中乙二醇質量分數隨著海上操作平臺晃動角度的增大而出現更大幅度的波動。而在同一晃動角度下，塔底貧液產品中乙二醇濃度隨著晃動周期的延長而出現更大幅度的波動；另外在相同周期的晃動之下，填料塔從高到低液相受到的擾動逐漸減弱；在相同角度的晃動下，不同高度截面的持液率、吸收液軸向速度和吸收液的徑向速度，在填料塔從高到低的截面處，三個檢測指標受擾動幅度都在逐漸減小。

在該海上天然氣開采項目中，操作平臺一直處于晃動狀態，乙二醇為保證塔內不出現干區情況需增加回流比，從而能耗相應增加。

2.2 優化設計

針對傳統塔器，可考慮增加塔徑，增加液體再分布器，增加噴淋密度等方式來緩解晃動對于再生產品品質的影響，但是這些方式均會帶來投資成本或運行成本的增加。該天然氣開采項目中，通過對海上操作平臺的晃動程度對乙二醇再生塔的影響研究分析可知，在保證產品質量的前提下，可考慮降低再生塔的塔高，減少晃動對于再生塔內傳質的影響，同時減少回流比減少再生過程中的能耗。

但對傳統填料塔，減小回流比勢必會造成塔器在晃動角度較大時塔內出現干區的情況，針對該情況，提出對原有填料塔進行優化，塔板可采用中國石油大學（華東）低碳能源化工團隊研制出的NS穿流復合塔板[14]，NS 穿流復合塔板俯視圖見圖1。

NS 穿流復合塔板具有以下特點：①采用穿流復合塔板上層加隔板的方式，通過合理分區與設置隔板高度，可降低晃動對版面液體分布不均的影響，提高傳質效率；②采用大孔徑穿流塔板雙層固定復合，孔徑錯對并合理設置雙板間距，強化兩板間的氣液傳質，板上形成豐富泡沫層，提高傳質效率，同時高開孔率降低板壓降，提高塔的處理能力；③塔板采用H 型分塊安裝，豎邊作為塔板自身支撐梁，解決塔板安裝與強度難題；④塔板具有氣液自分配作用，省去填料塔的氣液再分配器，簡化塔設備結構，提高塔內傳質空間利用率，降低塔高。上述特點構建高開孔率、低壓降高效率穿流符合塔板，在板面形成多個全混型區域，大幅度提高塔板效率和處理能力，同時減小塔高和塔徑，適應海上平臺的需求，實驗結果表明，穿流符合塔板的傳質效率比普通大孔徑篩板高出20%左右，且在整個操作范圍內效率都在80%以上，較高氣速下接近100%。

2.3 應用實例

2011 年，針對菏澤玉皇化工降低醚后碳四的異丁烯含量和提高裝置處理能力的需求，將原條形浮閥塔板的MTBE 共沸塔的上部改為反應段，下部改為NS 穿流立體復合塔板及其配套液體分布器，改造后在產量達到設計要求的前提下，回流比可降低至1.8 倍，產量提高了2.5 倍。2014 年，三江化工針對三江化工環氧乙烷裝置擴量后兩套乙二醇減壓分離塔存在的處理能力和分離精度不足問題，在利用原有塔器設備部件的前提下，將原有填料改為NS穿流復合塔板，改造后單套減壓裝置產品精度達到99.95 %；處理能力達到1.8 t/h，遠高于原來兩套填料塔的處理能力。NS 穿流復合塔板改造前后對比情況見表1。

表1 NS 穿流復合塔板改造前后對比情況Tab.1 Comparative situation of NS through-flow composite tray before and after transformation

從NS 穿流復合塔板在工業上的應用案例可看出該塔板具有傳質效率高等特點，同時可有效減少塔高、降低回流比，若將該塔板應用于海上操作平臺后，需結合現場實際晃動工況，通過優化塔板上隔板高度與布置設計合理的塔板，減小因晃動造成的氣液分布不均的情況，相比傳統填料塔，穿流復合塔板在相同的塔效率下可減小塔高，從而重心下移，減少晃動對塔器造成的影響，又因為塔板上隔板的存在可有效減小回流比，從而有效減小再生能耗。

3 結論與展望

1）對于傳統塔器設備，在海上晃動平臺中，塔內的氣液分布和壓力波動隨著海平面的晃蕩呈現一定的規律性，當晃蕩角度和搖擺角度增大時，塔內液體分布的不均勻現象越嚴重。壓力波動變的更加明顯，對于傳統塔器設備，可通過增加塔徑、減小填料床層的高度、增加填料段的數量和液體再分配器，增加噴淋密度等措施減小晃動對塔器效率造成的影響。但是塔徑、填料段與再分布器的增加勢必增加塔高，從而導致塔器重心升高，受晃動的影響更加明顯，同時此種優化方法也容易引起設備成本以及運行成本的增加。

2）對于海上操作平臺，排管式液體分布器具有抗干擾性強、運行相對穩定等特點，同時該類型分布器驅動力為液體壓力，能較好的適應海上晃動，所以該分布器較適用于海上操作平臺填料塔對液體進行預分布。對于傳統的槽盤式液體再分布器，可將底板進行合理分割，新型氣液再分布器的底板被合理分割，而這些優化則需要進一步的放大實驗研究。

3）新型乙二醇再生穿流復合塔板可顯著提高塔傳質效率，因為隔板的存在可有效減少晃動對于塔板上氣液分布不均的影響，進而降低塔高，減少設備成本；同時由于塔板被分為多個“全混型”小區域，在相同的晃動角度下，相比傳統填料塔，塔板可減少由于晃蕩引起的“干區”情況，在適當減少回流比的情況下亦不易引起操作不穩定，從而大大降低再生能耗，減少運行成本。目前該類塔板還未應用于海上開采平臺中，在后續工作中需進行更深入的實驗研究，從宏觀以及微觀尺度對新型塔板進行深入研究，得出該類型塔板在海上操作平臺運行特點，通過理論分析得出適用于海上操作平臺的該類塔器設備的優化設計方案，從而有效用于海上油氣開采項目中，減少投資成本，降低工藝能耗。